ITRM980171A1 - Azionatore rotativo a barra in lega a memoria di forma - Google Patents

Description

ESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo "AZIONATORE ROTATIVO A BARRA IN LEGA A MEMORIA DI FORMA"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda gli azionatori rotativi ed essa è applicabile ogni volta che si cerca di realizzare un azionatore di piccolo volume e di costituzione semplice destinato a creare una coppia di rotazione in un campo di rotazione limitato. Essa trova una applicazione particolarmente importante, benché non esclusiva, nei sistemi di spostamento di pannelli solari su veicoli spaziali.

Attualmente, le funzioni di materializzazione di un'asse di rotazione, di generazione di coppia e di regolazione dell'operazione di rotazione sono assolte da elementi distinti. La presente invenzione intende fornire un azionatore nel quale gli stessi elementi assolvono il complesso delle funzioni. Essa utilizza a tale scopo la proprietàdi leghe a memoria di forma che presentano due fàsi solide differenti, martensitica a bassa temperatura ed austenitica ad alta temperatura, con passaggio progressivo da una fase all'altra quando si riscalda la lega.

L'invenzione propone di conseguenza un· azionatore rotativo comprendente una barra in materiale a memoria di forma le cui estremità sono munite di elementi di interfaccia con elementi da far ruotare uno rispètto all'altro e di isolamento termico, circondata da mezzi di riscaldamento elettrico che consentono di portare la barra al di là della, temperatura di passaggio al campo austenitico.

Un tale azionatore presenta numerose caratteristiche favorevoli. Esso è assai affidabile, per il fatto del numero ridotto di componenti, della progressività di variazione della coppia esercitata all'inizio e alla fine della corsa; il suo costo di fabbricazione è basso; esso è facilmente adattabile all'ambiente per il fatto della sua costituzione modulare.

Il campo di rotazione può venire esteso e superare 180°; la coppia motrice può essere di parecchi Nm, il che è sufficiente per numerose pplicazioni, in particolare in assenza di gravità L' azionatore può essere , ad azione unica, per esempio quando esso è destinato a distendere i pannelli solari o i riflettori di un satellite dopo la messa in posizione di quest'ultimo. Esso può anche essere reso reversibile aggiungendovi mezzi elastici di riarmo che esercitano solo una debole coppia. Questi mezzi classici possono in particolare essere costituiti da una molla interposta tra le estremità della barra. In questo caso, l'azionamento viene ttenuto mediante riscaldamento per passare al campo austenitico emantenere la temperatura. Il riarmo 'Viene prodotto: nel corso del raffreddamento sotto sollecitazione.

L'alternanza azionamento-riarmo verrà generalmente utilizzata per spostare l'elemento azionato, poi di riportarlo nella sua posizione di origine. Tuttavia essa consente anche, aggiungendo un arpionismo, di ottenere qualunque ampiezza di rotazione, l'unica condizione essendo che la frequenza delle alternanze sia sufficientemente bassa da essere compatibile con l'inerzia termica dei componenti dell'azionatore e la lentézza inerente ai fenomeni fisici messi in gioco. Una rotazione di 180° può venire ottenuta senza difficoltà in qualche minuto con una potenza di riscaldamento debole.

I mezzi di riscaldamento possono avere costituzioni assai diverse. E' solamente necessario che essi possano tollerare la deformazione a torsione della barra, che è di norma di forma cilindrica. Essi possono in particolare essere costituiti da una striscia resistiva in materiale flessibile, arrotolata attorno alla barra e mantenuta aderente contro la barra mediante una molla bobinata. Essi possono anche essere costituiti da un manicotto, resistivo avente una elasticità che lo mantiene applicato contro la barra. I mezzi possono inoltre comprendere un elemento di riscaldamento per effetto Joule in materiale a coefficiente di temperatura positivo, chiamato PTC, che assicura una regolazione della temperatura per il fatto che la sua resistenza aumenta rapidamente con la temperatura al di là di una soglia.

La composizione precisa scelta per la lega a memoria di forma, a base di TiNi, verrà scelta in funzione dell'applicazione prevista ed in particolare delle temperature di trasformazione desiderate. In generale, si utilizzerà una lega di TiNi a tenore ridotto in Cu, quale la lega di 45,3% di Ti 48,5% di Ni 6% di Cu, le cui proprietà metallurgiche al di fuori delle, fasi di trasformazione sono vicine a quelle del titanio Gli elementi di interfaccia possono in particolare essere costituiti da tratti tubolari in metallo a debole conduttività termica, quale il titanio, che circondano parti terminali della barra; più tratti possono essere disposti concentricamente e collegati meccanicamente in serie per diminuire là conduttività termica. Quésta disposizione non è affatto la sola possibile. La forma scelta dipenderà dalle forze di interfaccia e dai disaccoppiamenti termici richiesti. Per esempio, gli elementi possono essere costituiti da anelli collegati alternativamente mediante le periferie interne ed esterne.

L'azionatore è suscettibile di numerose applicazioni, in particolare nello spazio. Si può citare in particolare l'applicazione ad una disposizione di spiegamento o di orientamento di un riflettore, di una antenna; di un generatore solare; di un braccio di bilanciamento; di una attrezzatura; di un pannello o di una struttura di veicolo spaziale.

Le caratteristiche di cui sopra, nonché altre, risulteranno meglio dalla lettura della descrizione seguente di un modo particolare di realizzazione dell'invenzione, data a titolo di esempio non limitativo. La descrizione farà riferimento ai disegni che l'accompagnano, nei quali:

la figura 1 è una vista in sezione longitudinale di componenti essenziali di un azionatore secondo un modo particolare di realizzazione;

- la figura 2 è una vista da una estremità che mostra i mezzi di fissaggio di un elemento da spostare angolarmente;

- la figura 3 è una vista da una estremità dell'azionatore della figura 1 che lo mostra in due posizioni estreme;

- le figure 4 e 5 sono viste da una estremità di un generatore solare munito di azionatori secondo la figura 1, nello stato disteso e nello stato ripiegato; e

la figura 6 mostra la variazione della deformazione di una lega utilizzabile per la realizzazione dell'invenzione, in funzione della temperatura, vale a dire il suo ciclo di isteresi.

L'azionatore la cui costituzione di principio è mostrata nella figura 1 comprende una barra cilindrica 10 in lega a memoria di forma, generalmente in lega di TiNi a tenore ridotto di rame, che passa progressivamente dallo stato martensitico allo stato austenitico quando la si riscalda da una temperatura fredda T2 ad una temperatura calda T1, assumendo nel passaggio diversi stati cristallografici (figura 6). Una tale barra, quando essa viene posta sotto una sollecitazione di torsione ad una temperatura almeno uguale a T1, e raffreddata ino a T2 conserva la deformazione a torsione che le è stata imposta. Se in seguito la si riscalda, essa tende a ritornare alla sua forma di origine ed è in grado di esercitare una coppia di torsione. La deformazione angolare può raggiungere 180° per una barra la cui lunghezza raggiunge circa 20 volte il suo diametro, o anche lo spessore.

Alle estremità della barra sono fissati elementi di interfaccia che assolvono molteplici funzioni. Essi assicurano il collegamento meccanico con elementi da far ruotare uno rispetto all'altro e trasmettono le forze. Essi limitano gli scambi termici tra la barra e l'ambiente. Nel caso illustrato nella figura 1, ciascuno di questi elementi di interfaccia è costituito da due tratti, tubolari concentrici in materiale a debole conducibilità termica, quale il titanio. Il tratto tubolare interno 12 è collegato ad una estremità della barra 10 e circonda una parte terminale della barra. Il tratto esterno 14 circonda il tratto interno ed esso collega l'estremità del tratto la più vicina al centro della barra ad un elemento esterno da spostare angolarmente.

Nel caso illustrato nella figura 1 , giunzione con ciascun elemento esterno viene realizzata mediante un anello rispettivo 16 al quale il tratto esterno 14 è fissato in maniera permanente, per esempio mediante saldatura. L'anello è perforato da fori oblunghi 18 di ricezione di viti di fissaggio, consentendo una regolazione della posizione angolare sull'elemento esterno da azionare o un elemento che serve da appoggio, secondo il caso.

Possono venire utilizzati diversi modi di collegamento tra il tratto tubolare interno e la estremità rispettiva della barra. Nel caso mostrato nella figura 1, il tratto interno è fissato in maniera permanente alla periferia di un disco 20 perforato da un foro centrale dì ricezione di un prolungamento della barra. Passaggi filettati radiali del disco 20 ricevono viti di pressione 22, destinate ad applicarsi contro il prolungamento e a rendere solidale il disco con una estremità della barra. Questa costituzione modulare consente un montaggio ed uno smontaggio emplici dell' azionatore propriamente detto.

Questa concezione permette quindi, se necessario, un riarmo esterno dell'azionatore. Le parti 12, 14, 16 e 20 possono costituire un sol pezzo realizzato mediante elettroerosione o mediante saldatura.

Mezzi 24 di riscaldamento della barra ricoprono quest'ultima sulla quasi totalità della sua lunghezza. Questi mezzi possono aver diverse costituzioni. Essi possono essere costituiti da una striscia resistiva in materiale flessibile, munita di connessioni di collegamento con una alimentazione, mantenuta aderente sulla barra tramite una molla ad elica bobinata (non rappresentata) che circonda la striscia ed esercita su essa una forza di compressione. Essi possono anche essere costituiti da un manicotto in materiale elastico contenente una resistenza riscaldante o da altri elementi ancora. Se viene utilizzato un materiale a coefficiente di temperatura positivo, è desiderabile adottare un materiale la cui resistenza aumenta fortemente ad una temperatura eggermente superiore<1 >alla temperatura di trasformazione completa della lega allo stato austenitico.

Tra le proprietà favorevoli di un tale azionatore, occorre notare l'ingombro e la massa ridotti, la progressività del movimento con assenza di vibrazione, l'assenza di urto alla fine del movimento e la stabilità della posizione finale in assenza di sollecitazione.

Il raccordo ad elementi esterni che 1'azionatore deve spostare uno rispetto all'altro può venire assicurato tramite mezzi assai diversi. Nel caso illustrato nella figura 1, gli anelli 16 sono previsti per venire fissati a ferramenti rispettivi 26 e 28. Viti passanti nei fori oblunghi 18 raccordano gli anelli a manicotti rispettivi 30 ciascuno dei quali porta un rullo o un anello 32. Ciascun ferramento è fissato da un lato ad uno dei manicotti 30; esso ruota dall'altro lato su uno degli anelli o rulli 32.

Nel caso in cui un azionatore sia previsto per funzionare una sola volta, esso può venire completato con mezzi di bloccaggio, che lο mantengono nella posizione in cui esso è statoportato mediante riscaldamento. Nel caso mostrato nella figura 3, un nottolino 34 è montato su un asse 36 portato dal ferramento 26. Una molla non rappresentata mantiene il nottolino contro l'altro ferramento 28 che presenta un dente 38 contro il quale va ad impegnarsi il nottolino alla fine,del movimento. Una battuta di fine corsa 40, generalmente regolabile, può venire montata sul ferramento 26 per fissare la posizione limite del ferramento 28 ed evitare un movimento relativo o vibrazioni. Il riscaldamento può allora venire interrotto .

Quando si desidera rendere l'azionatore reversibile, sono previsti mezzi elastici di richiamo in grado di esercitare una coppia almeno uguale alla coppia di riarmo nello stato iniziale. In effetti la coppia di riarmo può essere più debole della coppia di motorizzazione che potrà fornire la barra di lega a memoria di forma all'atto del suo riscaldamento (trasformazione dell'energia termica in energia meccanica). Questi mezzi di riarmo possono essere costituiti, per esempio, da una molla che collega le due estremità della barra o collega i due ferramenti. In questo caso, la coppia che può esercitare la barra deve essere tale da poter superare contemporaneamente la forza antagonista dei mezzi elastici di riarmo e le forze di sfregamento.

Le caratteristiche di un azionatore secondo l'invenzione sono particolarmente interessanti per lo spiegamento di generatori solari di n satellite. In questo caso, in effetti, è desiderabile evitare urti e realizzare uno spiegamento molto progressivo. Le figure 4 e 5 mostrano un generatore solare munito di quattro azionatòri 42 del genere mostrato nella figura 3, di cui uno collega il generatore nel suo complesso al corpo 44 del satellite e gli altri collegano i pannelli solari 46 tra loro. Per limitare il numero di collegamenti elettrici che devono transitare per il meccanismo dì orientamento del generatore solare (rispetto al sole), connessioni dirette verso la piattaforma satellite possono venire ottenute tramite blocchetti di connessione 48. Essi possono venire posti sui ferramenti in un punto tale da venire in contatto reciproco quando i pannelli sono ripiegati gli uno contro gli altri, all'atto del lancio e fino alla messa in posizione. Una volta che il satellite è in posizione, lo spiegamento sequenziale dei pannelli può venire, ottenuto alimentando gli azionatori tramite i blocchetti di connessione {48).

Un'altra applicazione possibile di un azionatone secondo lo schema generale della figura 3, senza nottolino 34 di bloccaggio nella sua posizione terminale, è costituita dall'orientamento di pannelli solari-di un satellite in orbita bassa, che passa nella zona d'ombra della terra ad ogni rivoluzione. In questo caso, la temperatura della barra 10 viene pilotata in modo che la rotazione provocata dall'azionatore segua il movimento apparente del sole. Il riscaldamento viene interrotto durante la fase di eclisse in modo che la molla di richiamo assicuri il riarmo. La progressività della trasformazione, mostrata nella figura 6, consente un tale pilotaggio. Esso può venire realizzato ad anello chiuso, prevedendo un codificatore rotativo nel collegamento tra il corpo del satellite e il generatore solare.

E' anche possibile realizzare l'azionatore in modo che possa provocare uno spostamento angolare di ampiezza qualsiasi. Per ciò, esso è incorporato in un meccanismo nel quale la barra può venire disaccoppiata dalla parte fissa e riarmata mediante una molla di richiamo alla generazione di ciascuna azione, poi riaccoppiata. Questo riaccoppiamento della barra con la parte fissa (e, oppure la parte mobile} può venire anche, realizzato tramite un elemento in lega a memoria di forma, quale un manicotto elastico in materiale a memoria di forma munito di mezzi di riscaldamento o di un nottolino azionato da una molla o di una lama in lega a memoria di forma. Due meccanismi che esercitano azioni in sensi opposti possono venire associati per costituire un comando bidirezionale .

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Azionatore rotativo comprendente una barra (10) in materiale a memoria di forma le cui estremità sono munite di elementi di interfaccia con elementi da far ruotare uno rispetto all'altro e di isolamento termico, circondata da mezzi (20) di riscaldamento elettrico che consentono di portare la barra al di là della temperatura di passaggio al campo austenitico.
2. 2. Azionatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso comprende molteplici mezzi elastici di riarmo che esercitano sulla barra una coppia di torsione che tende a riportare la barra nello stato di origine.
3. 3. Azionatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da mezzi di accoppiamento a scatto destinati a bloccare i due elementi nell’orientamento relativo in cui essi sono stati portati mediante riscaldamento della barra.
4. 4. Azionatore secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di riscaldamento (20) sono costituiti da.una striscia resistiva di materiale flessibile, arrotolata attorno alla barra e mantenuta aderente contro la barra mediante una molla bobinata.
5. 5. Azionatore secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di riscaldamento comprendono un elemento di riscaldamento per effetto Joule in materiale a coefficiente di temperatura positivo. 7. Azionatore secóndo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che gli elementi di interfaccia sono costituiti da tratti tubolari (12, 14) in metallo a debole conduttività che circondano parti terminali della barra. 8. Applicazione di un azionatore secondo la rivendicazione 2 ad un meccanismo di spostamento angolare di ampiezza limitata, caratterizzata dal fatto che la barra viene disaccoppiata e riaccoppiata a richiesta con uno degli elementi. 9. Applicazione di un azionatore secondo la rivendicazione 2 ad un dispositivo di orientamento di pannelli solari di un satellite in orbita bassa, comprendente mezzi per pilotare la temperatura della barra (10) in modo che la rotazione provocata dall'azionatore segua il movimento apparente del sole ed interrompere il riscaldamento durante le fasi di eclisse in modo che i mezzi di riarmo riportino gli elementi nella loro posizione di origine . 10. Applicazione di un azionatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, ad una disposizione di spiegamento o di orientamento di un riflettore, di una antenna, di un generatore solare, di un braccio di bilanciamento, di una attrezzatura, di un pannello o di una struttura.